离子膜电解槽的结构与工艺控制原理

乔霄峰，郭瑾，刘秀明

(蓝星(北京)化工机械有限公司，北京 100176)

近40年来，中国离子膜烧碱工业技术从无到有迅猛发展，先后有国际上多家著名专业公司设计制造的数十种不同结构形式的电解装置在我国氯碱企业运行使用。

目前，全球烧碱产能已超9 000 万t/a，我国产能已达4 000多万t/a，基本为离子膜法电解装置。

在氯碱工业中，各种离子膜电解装置采用的电解工艺基本相同，配套使用的离子膜的功能条件相近，所以，电解室内部反应条件要求也是基本相同的。离子膜烧碱是通过电解食盐水完成工艺反应，在电势和电流的作用下，遵从电化当量规律，钠离子从阳极室迁移至阴极室，阳极室氯气析出而盐水浓度下降，阴极室氢气析出而氢氧化钠浓度上升。现行工艺为出槽淡盐水质量浓度205 g/L、碱质量分数32%。

可通过科学的设计电解室结构提供良好的反应条件，并通过电极活性涂层技术获取更低的氯氢析出电位，以期达到最好的能耗性能。还应将工艺与电解反应结构设计相结合，将电解液的循环方式及各项工艺条件的保证与获取良好的反应状态相结合，工艺与设备相互匹配，相互弥补，只有这样，才能使不同结构形式的离子膜电解槽在更大的电流负荷需求下获取更高的使用价值[1]。

1 电解槽的供电组合形式

离子膜电解原理示意图见图1。

图1 离子膜电解原理示意图

离子膜烧碱电解槽工业化应用初期，设计者即发明了多种著名的电解槽型。其中有以美国的西方、英国的ICI、日本的旭硝子等公司为代表的典型的单极式离子膜电解槽，有以德国的伍德，日本的旭化成、德山曹达，意大利的迪诺拉以及中国的北化机等公司为代表的复极式离子膜电解槽，许多槽型曾在中国得到阶段性的应用。电解槽不同的供电组合形式是区分电解装置类型的两个重要表征之一。

1.1 单极式离子膜电解槽

单极式离子膜电解槽，电解室为框式结构[2]，双面均有电极的结构方式，多个阳极反应室和阴极反应室交替排列，单个电极面积小的有0.2 m2，大的可达2.7 m2。同台或同组的阳极室和阴极室分别并联供电，多采用拉杆串拉密封组合。

单极式离子膜电解槽每台或每组电解槽可以并联组合几个甚至几十个电解单元槽，单台工作电流很大，是所有并联电解单元反应电流的总和，最高运行电流可达上百kA。而由于单台或单组电解槽是并联供电组合，电压却很低，只是一对阴阳极之间3 V左右的反应电压。

单极式离子膜电解槽供电组合示意图如图2所示。

图2 单极式离子膜电解槽供电组合示意图

由于单极式离子膜电解槽大电流低电压的特性，为了设备能有更高的整变效率，一般在装置中会将多台电解槽串联供电U形排列，每台电解槽的电流负荷相同。

由数十台电解槽组成的单极式离子膜电解装置，产能规模较大，每台电解槽需要单独进行反应状态检测和相应的工艺控制操作。其优点是，必要的时候可以利用短路开关装置进行选择性的跳槽和备用槽替换，能够合理安排维保人员和时间做有计划的长期的设备管理。

单极式离子膜电解槽一般采用外部自然循环方式，依靠阴阳极反应室外部设置的气液分离箱和降液管，使电解室获得较大的循环量，在当时4 kA/m2以下电流密度条件下，槽内反应状态良好，运行稳定。如果要按当今运行要求进一步提高电流密度，必须在原有基础上进行电解室内部循环结构的改进设计，才能使老旧装置的使用周期得以延续。

由于单极式离子膜电解装置槽内电流分布和槽间大电流导电连接所需的铜及钛铜复合组件较多，工艺配管和仪表阀门繁杂，单台工艺操作控制点较多且要求有很高的精细度，需要较多的操作人员和检测频次，设备制造成本较高，其技术发展停滞，生产装置逐步减少。

1.2 复极式离子膜电解槽

复极式离子膜电解槽，一个阴极室和一个阳极室被一张离子膜相隔形成一个电解单元，多个电解单元之间采取阴阳极室同向排列串联供电组合。单个反应室的电极面积可大可小，最大可达3.5 m2以上，电解单元之间多采用先进的油压密封挤压的结构方式。

每台复极式离子膜电解槽可以串联几十个甚至上百个电解单元，单台总电压可达数百伏，是所有串联电解单元电压的总和，而单台电解槽的总电流却不会很大，与每个电解单元的工作电流相同。

图3 复极式离子膜电解槽供电组合示意图

由于复极式离子膜电解槽较低电流匹配较高电压的特性，设备可有较高的整变效率，在装置中可有多台电解槽独立供电而物料管路相连，整体布局较为合理。

由多台电解槽组成的复极式离子膜电解装置，可适用于各种产能规模的生产装置，每台电解槽产能也可根据需求通过工作电流的变化作灵活调整，并可单独进行反应状态检测和相应的工艺调整和控制。多台运行的大规模生产装置可随时单槽停车检修，同样可以合理安排人员和时间进行有计划的长期的设备管理的维保。

复极式离子膜电解装置单台产能大，占地面积小，槽内电流分布均匀，导电连接简易，设备制造成本较低且有较好的工艺操作控制自动化配置，结构与工艺优化等方面技术发展较快，目前是氯碱工业生产应用的主流设备。

2 电解循环方式与结构设计

电解工艺循环方式是区分电解装置类型的另外一个重要表征，可分为强制循环、外部自然循环、内部自然循环以及内外混合循环等方式。为了获得良好的电化学反应状态和优良的电解性能，不同的电流密度和不同反应室结构需与相应的工艺循环方式相匹配。

2.1 强制循环工艺与结构

在离子膜电解工艺发展初期，由于电解反应室内部没有循环结构和气液分离结构设计，电解质的浓度和温度传导与扩散条件不够理想，特别是电解室有着较大电极面积的复极式离子膜电解槽，只能在电解槽外部配置大流量循环泵，通过对电解液的强制循环来保证电解室内所需要的介质流动状态，使电极区域和电流密度较高的区域剧烈反应形成的介质浓度偏离和热量聚集得以及时缓解，从而改善电解反应条件、降低电解电压、提高电流效率、延长离子膜的使用寿命。

离子膜电解槽发展初期的近20年，复极式离子膜电解槽多采用强制循环工艺，每台电解槽均设置有阴、阳极液循环罐和大流量循环泵。

强制循环工艺的阳极反应系统，每个阳极电解室中，除了根据盐水的分解率和电化当量加入电解反应所需的饱和盐水之外，还将有数倍的淡盐水被循环泵一同送入电解室，形成淡盐水的大流量循环，使槽内的介质具有足够的流速，使产生并聚集在电极表面影响反应条件的氯气得以更快的析出并快速冲散，使温度传导和离子交换速度得以满足，从而大大减小了反应室内的浓差梯度和温差梯度以及有效降低影响反应效率和电解电压的气液比。

在阴极反应系统，阴极表面产生的氢气泡密度极小，飘逸性极强，可对介质形成较强的气举作用，使介质的流动性较好，电极表面反应条件远远优于阳极侧。但在强制循环系统中，为了使离子膜两侧的流场状态更加平衡，除了反应所需的有限的定量纯水注入之外，仍需有与阳极室匹配的碱液循环量，以保证阴、阳极室适度和稳定压差，保证离子膜在有极距结构条件下仍得以贴附在阳极网面。

由于强制循环工艺装置每台电解槽均需要配置阴阳极循环槽和大流量循环泵，反应室进口压力及槽内液相压力很高，循环泵和循环管路系统的噪声和能耗很高，管路振动和压力波动也较高。要使膜两侧阴阳极室的正向压差始终得以保持，需要控制槽内和系统的氯氢压差值达15 kPa或更高，对离子膜和电极网的强度都需要有很高的要求，离子膜和电极要厚实，加之制造精度所需的阴阳极极距，反应电压和吨碱电耗相对较高。

由于大面积反应室对传质、传热和传速的要求较高，受电解槽的活性阴极技术、膜的制造技术、反应结构技术以及工艺控制技术等方面条件的制约，早期强制循环复极式离子膜电解槽的运行电流密度一般只能在3 kA/m2左右，万吨装置需要近百个电解单元，装置制造成本也很高，大型强制循环生产装置的结构和工艺技术在氯碱行业已经基本被弃用。

但是，强制循环工艺还是有其特有的适用性的，在有机电解以及没有或少有气体析出和扰动的电解工艺领域以及微电解或微型试验装置上，由于反应室内部不具备气举效应所形成的自循环动力，强制循环形式仍然是不可替代的工艺方式。

2.2 自然循环工艺与结构

自然循环工艺装置可应用外部自然循环或内部自然循环两种结构形式的电解槽，现在主流的复极式离子膜电解工艺装置，多为内部自然循环结构形式的电解槽。

2.2.1 外部自然循环装置

早期的自然循环工艺装置，多为外部自然循环结构形式。它是利用室内气泡效应形成的上浮动力，将电解液从电解室上部带入设置在电解室上方或侧方一定高度的的气液分离箱。进入电解室上方气液分离箱的插入管有一定的高度，防止电解液回流阻塞电解室出口。气液分离箱下部的循环降液管与电解室下部入口连通。反应产生的气体从气液分离箱上部汇入系统气体总管并排出界区处理。电解液通过气液分离器溢流管保持一定的液位并进入系统出口总管排出，而更多的电解液依靠重力和虹吸原理循环回电解室，从而获得较大的循环量。

图4 外部自然循环装置示意图

20世纪八、九十年代日本旭硝子公司设计制造的AZEC-F2型离子膜电解槽，是外部自然循环工艺结构的典型代表，其在4 kA/m2电流密度条件下，反应室内部压力和循环量稳定，工艺条件稳定，生产运行稳定，目前仍有一定规模的生产装置在国内外氯碱企业生产运行。

工业生产实践证明，设计合理的外部自然循环结构装置，可以达到与前述的强制循环工艺异曲同工的工艺效果和内部反应状态，电解室内不仅通过反应产生的大量气泡的“气举作用”作为介质溢出动力，还可通过外部的降液重力提供介质的循环动力。如果能在反应室内部加以内部循环结构改进，一定会是一种应用范围更广生命力更强的工艺装置。

2.2.2 内部自然循环装置

随着氯碱工艺技术和产能需求的不断提高，电解室内反应条件和反应状态对烧碱电解槽的结构设计的要求也越来越高，对如何获得更好的反应效果与更低的电耗的研究也越来越专业，21世纪伊始，结构先进的内部自然循环电解槽逐步成为氯碱装置的主流应用槽型。

电解反应析出的大量气体产生的“气举”现象，是反应室内难得的循环驱动力。通过合理的气液分离与循环结构设计[3]，可以使介质在槽内自然形成不断的上下往复流动，大大改善了 “三传一反”条件，使电极与离子膜表面的电解液流速成倍的增大，使电极与离子膜表面聚集的反应热得以扩散，使电极与离子膜表面急速变化的介质浓度得到有效改善，使反应区域的气泡更快速的析出，使槽内气液比得以大大降低、温差梯度和浓差梯度减小、电极和膜的寿命延长，电解槽的电压降低，槽内压力波动减小，增大了电流密度提升的空间。

图5 内部自然循环状态示意图

通过对上述反应原理的科学研究与结构设计，目前得到广泛应用的内部自然循环工艺和结构的电解槽，在电流密度达到4.5 kA/m2时，仍可低于外部自然循环结构槽型在3.5 kA/m2时的反应电压，电解性能明显提高，吨碱电耗大大降低。

3 反应条件与工艺控制原理

在离子膜电解槽中，电化学反应集中在离子膜和电极的表面区域，在此区域，反应介质足够的流动速度、析出气体的快速漂移、反应热的有效传导和扩散、离子的及时交换和迁移以及反应浓度的快速融合，是保证电解室内有良好反应状态的重要因素[4]。

为了使电解室内获得良好的反应状态，对电解系统的工艺控制应结合不同的结构条件有所侧重[5]，甚至还需要更有益的变化，使装置尽可能在更佳状态下运行。

3.1 系统的压力和压差控制

电解界区的氯氢压差恒定和稳定，事关离子膜和电极的使用寿命，同时也是工艺运行与操作技术水平的重要体现。

当阴极室相对于阳极室的压差过小或出现反向压差时，离子膜将不能很好的贴合在阳极网面上，离子膜和阳极之间的盐水和氯气泡将产生很大的电阻，会使电解电压异常升高，甚至导致运行事故。

单槽或个体设备故障的发生对系统压力的影响会使装置出现联锁停车和意外伤害问题，而氯氢处理以及前后界区之间的相互影响造成的系统压力控制问题，更是引起电解界区压力和压差超限联锁的多发原因。

3.1.1 电解系统的气相压力

离子膜电解界区内的压力控制范围在装置详细设计阶段已经根据管路直径、阀门仪表选型以及设备承压状态等条件得以确定，目前绝大多数装置运行在40 kPa以内。根据经验，离子膜和电极的安全承压能力约为15 kPa。作用在离子膜表面的压力等于阴阳极室的气相压差值与阴极弹性压力值之和。阴阳极室气相压差联锁保护值小于10 kPa，膜两侧的氯氢压差控制值在(3～5)kPa为宜。阴极室相对于阳极室的微小正压差的保持恒定对于离子膜和电极的使用寿命至关重要[6]。

早期的隔膜槽和单极式离子膜电解装置，为了减少氯气泄漏隐患，电解界区一般为平压设计，氯气压力接近于0 kPa，氯压机进口为负压操作，而氢气管线只有3 kPa的微正压，电解槽内部压力很低，所以，在运行状态和开停车过程中，电解界区的压力和压差的控制相对简捷，但对后续氯氢压机系统的压力控制却有着更多的依赖性。

电解界区的压力越低，对气体管路和阀门的直径要求会越大，后续系统(如氯压机系统)的压力调整空间也会越小，对电解系统压力控制的反向影响门槛也越低，需要氯压机有更高的压缩比和更大的功率，而且低气压输出的氯气含水量也会较高。

随着装置规模不断的大型化，氯氢处理工艺更加科学和多样化，电解界区与氯氢处理系统的压力关系更加复杂，根据氯压机进口压力设定和压缩比设计、工艺系统的压力需要等因素，离子膜电解界区的设计压力有所提高，有些装置的设计压力达40 kPa以上，使开停车过程的压力控制操作过程有所延长。

有些氯碱企业为了能够更安全的操作和控制，尝试改变运行已久的电解装置，将压力控制值从设计的40 kPa降低到20 kPa。虽然电解界区压力升降控制便捷了，但压力调节阀的长期运行开度却变为较大开度状态，使应对异常压力时的调节范围受限，调节性能也有所降低，而且调节阀前和阀后的压差大大降低，氯氢压机的压力波动对电解压力的影响也变得更加直接，压差联锁停车更难避免。另外，许多老装置进行膜极距结构技术改造后，运行电流密度具备了一定的上升空间，而较低的控制压力和较大的阀门开度，也会给产能提升和氯氢气体的增量控制带来限制。

随着对工艺技术的深入理解和操作水平的不断提升，在装置的开停车过程中，电解压力和压差的稳定控制已可应对自如，电解界区运行压力的高低，完全可以根据装置的总体需求在合理的范围内做最有利的设定。

3.1.2 联锁停车时氯氢压力的控制

在出现异常情况或联锁发生时，部分电解槽或全部电解槽的紧急停车，会使电解界区氯气和氢气的生成量突然变小，导致各控制关口的压力较为明显的突然下降和波动，串级控制的氯氢压差很可能也会出现异常，这种现象在自控模式下多有发生，一定要根据系统的数据反馈并通过预设合乎逻辑且行之有效的自控程序加以避免。

及时合理的控制模式切换在联锁停车时氯氢压力和压差的控制中是一个可行和有效的方式。在压力出现较快的明显降低时，如果不能有效的应对，压力波动在所难免。此时，程序的应对设置可将自控模式及时切换至人工控制模式，使压力调节阀设定有一个与现有气体流量更加匹配的适度的开度，使联锁停车后的氯气和氢气压力稳定和自然的降低，待压力稳定后再及时自动切换回自控模式，可以更好的保证串级压差，防止压差超限造成联锁停车。在异常压力波动和变化反复出现时，可视压力和阀门的变化状况重复进行模式切换，动态的设定调节阀开度，消除压力异常和波动。

当然，还有许多原因会导致氯氢压力出现异常变化和波动，应该根据装置已经掌握的运行和开停车数据，罗列异常因素引起的可能出现的异常反应，分析危害数据确定稳定控制的方法，并融入到自控程序中，逐步健全DCS控制系统能力。

3.1.3 氮气置换与稳定的压力调节

由于氢气所具有的爆燃特性，规范的氮气置换是工艺系统重要的安全保障。由于氮气管线的压力远远高于电解系统能够承受的运行压力，不合理的氮气流量控制和开闭方法很可能会形成对阴极系统巨大的压力冲击，对电解装置的安全形成严重的威胁，这也是造成阴阳极压差超限联锁停车及设备压力损伤的重要原因之一。需要关注的是，这个重要危害因素往往在问题分析和操作控制中被忽略和遗漏。

氯氢压差的超限是造成电解槽的电极和离子膜损伤的重要因素，而氯氢压力过高也会使设备的承压极限受到考验。有些用户单纯的在管线上安装气体压力安全阀或水封装置，有可能发生单一管线失压，不但不能有效的避免运行事故，还有可能增加压差联锁及压差损伤事故的隐患。所以，正确的操作方法和合理的设定控制程序才是工艺运行最好的保障。

开车送电前，在按步骤切实做好氮气置换，达到氮气纯度分析指标的条件下，必须对氮气做适量的调节。氮气最佳流量应当可以使电解系统阴极压力调节阀的开度达到有效调整状态，并且可以使系统内阴极管线压力稳定控制在4 kPa左右，从而具备氯氢压差串级控制的基本条件。此时的氮气流向应从电解界区通过氢气压缩机直至氯氢合成等后续系统的检测口，保证全线达标。在电解槽送电初始阶段，随着电流的逐步提升和氢气流量的逐步增大，压力调节阀的有效开度也会逐渐变大，氢气对压力的影响作用逐渐增加，氮气流量可分次或逐渐减小，直至随时全部关闭KV阀时也不至于引起压力和压差出现明显波动的基本流量(如：10或15 m3/h)。此时，重要的是关闭KV阀时要保留氮气手动限流阀的微小开度，或者使控制程序储存流量自动调节阀完全关闭前的这个基本开度，作为电解系统停车或紧急停车时氮气联锁开启的初始开度设定值，利用自动调节阀或者手动限流阀的这个初始开度的限流减压作用，有效控制联锁开启时氮气的初始流量和稳定注入。特别需要注意的是，计划停车或意外停车时，“控制程序切勿将某个氮气流量值作为氮气阀联锁开启时的自控设定值”，避免高压氮气开始充入时，氮气阀前与阀后极高的压力梯度形成的阀门失控和剧烈的流量和压力波动，以及对系统压力和压差的控制造成强烈的干扰，防止形成对离子膜和电极的压力冲击。

“平稳且合理的开车过程的反向顺序实施是最好的停车操作”。将开车过程与停车过程的氮气开关和流量调节关系和顺序有机的对称统一，保持好氯氢压差串级控制的流量和压力条件，充分发挥自控系统在开停车和运行过程中的正确作用，并能够做到举一反三的理解和运用到其他类似操作，是工艺技术人员和操作者必须掌握的技能。

3.1.4 氯压机与电解界区压力的协调控制

氯气处理系统的压力控制和应对流量变化的适应性能力是电解界区压力和压差稳定控制的重要保障。

在电解装置开车送电前，氯压机必须已经调试至具备稳定的压力和流量控制能力，并在送电前打通电解界区与氯气压缩和处理的管路，充分满足装置的自控条件，避免送电后界区间衔接时压力梯度和流量突变造成的压力波动。

为了电解界区的压力安全，氯压机开机时与电解界区是利用KV阀隔离的。此时应利用氯压机较大空气回流开启氯压机，将大小回流阀设置在较大开度，而导叶口并非很大，预留足以自控调节的余量，努力使氯压机具备开车后工艺运行所需的进口压力，然后根据氯气流量的变化调整所需的出口压力和压缩比。

氯压机进口压力可利用回流调节至接近于0，当电解槽具备送电条件时，打开与电解界区相隔离的KV阀，使电解系统的氯气管线的压力从除害系统转换至氯压机系统，不会改变电解系统和氯气处理系统的气相状态，也不会影响电解系统的压差控制状态。

此时，较大的自控回流开度以及适度的旁路开度和导叶开度，为电解装置送电后电流提升过程氯气量的逐渐增加创造了自控调节的稳定条件。随着电解界区氯气流量的逐步增加，完全可以通过自控系统程序的优化设置，对氯压机和氯气处理系统的大小回流、氯压机出口压力、导叶口开度等多部位的合理匹配和稳定调节，获得稳定的氯压机进口压力，从而保证电解系统的顺利开车和稳定运行。

3.2 电解流量的保证

电解槽入口的介质流量是根据反应电流、电化当量、分解率、介质浓度及反应浓度等物料平衡需求的综合因素理论计算设定的。以阳极反应为例，年产每万吨(折百)烧碱的电解装置，当进槽浓盐水(305 g/L)流量为12 m3/h左右时，其出槽淡盐水浓度刚好满足205 g/L的工艺要求。真正的内部自然循环电解槽，除了加入满足盐水电解所需的浓盐水之外，是不需再将淡盐水作为循环液循环回电解槽的。而如果淡盐水通过循环回流进入电解槽，是为了提高电解液的流速以改善反应条件和反应状态，并不会打破原有的物料平衡，同时还可调整溶液含氯量和酸度，使设备和管线获得耐腐蚀钝化效果。

某些并非完全自然循环的电解装置，在单纯的物料(比如精盐水)流量供给条件下，其循环结构产生的内部循环不能满足反应所需的循环量和良好的反应状态，除了反应物料平衡所必须的原料供给流量之外，特别要注意根据电解室内部反应状态提供足够流量的反应物质作为循环液，以满足规定的反应介质流速及反应温度传导和浓度扩散条件，降低反应区域的气液比，使离子膜的性能和寿命得以保证，降低电压和电耗。

在当今膜极距主流结构条件下，由于致密的弹性电极与离子膜紧密的接触，复杂的结构使介质进入主反应区域的流动阻力增加，反应区域的介质置换和高温扩散更加困难，局部气液比加大；浓差梯度和温差梯度加大，对介质的循环量及膜面流速也要求更大。高电流密度膜极距电解槽，内部循环结构往往难以满足反应状态需求，加入足够的或略为富余的外部循环流量尤为重要。在电解装置运行中，过低的介质流量甚至断流是发生严重事故重要原因之一，多数工艺流量是随条件变化而变化的，这也是自控系统作用的一个重要体现。但往往由于仪表参数设定缺陷，在出现条件突变时，串级控制的阀门不能及时稳定的使流量调节到位，甚至出现大幅波动或变化，对设备安全造成威胁。这种情况必须结合工艺设计和仪表设计以及运行条件等诸多因素全面分析，合理调整和设置自控程序，保证自控系统在任何情况下的稳定和有效的控制。

3.3 电解浓度的控制

在离子膜电解反应过程中，介质浓度关系到离子膜效能的正常发挥和离子膜寿命的保证。目前，离子膜烧碱电解的主流工艺要求阴极液氢氧化钠质量分数为30%～32%，阳极液淡盐水质量浓度为205 g/L。在容许的范围内，偏高的介质浓度会使电压偏高而电流效率也相对稍高。

当淡盐水溶液浓度过低或氢氧化钠溶液浓度过高且超过一定指标时，离子膜和电极表面反应区域的离子交换与传质条件变差，膜层间水分子的积存将使离子膜出现分层、针孔、起泡及破裂等劣化现象，会造成电流效率的下降和电压的上升，乃至离子膜的寿命终结。

有些装置在电解槽出口浓度的检测并无异常，但仍出现一些离子膜分层和起泡现象，这种情况，应从电极和离子膜表面区域的反应状态和条件加以分析。个别膜出现起泡现象往往是由对应的单元槽流量或膜和电极表面局部区域反应条件异常所致。

电解槽的电解液供给是由总管通过与各个电解单元相连接的软管均匀分配的，个别电解单元的液流阻力较大会使该单元流量变小，造成个别离子膜起泡，应着重检查单元槽进出口部位及槽内液分散管的分布孔是否有树脂颗粒或其他异物堵塞问题。

有些离子膜的局部起泡现象，应对单元槽内部结构进行检查，重点排查内部循环结构变形或相应部位液分布孔堵塞问题，消除槽内局部液流死区或液流不畅。

另外，有些电解单元如果阴阳极室间发生结构导电不良问题，会使电极表面电流分布不均，局部电流密度过大，会使对应位置的离子交换反应超过了承受极限，造成离子膜局部起泡。

3.4 电解温度的控制

电解温度的控制对离子膜效能的正常发挥和离子膜寿命的保证十分重要。我们通常根据阴极液出槽温度的监测数据来判断槽内反应温度并加以控制。电流密度的高低、电解浓度的高低、电解电压的高低、内部反应状态的优劣以及电解循环状态等多种因素都会影响电解温度。

温度控制的目的是防止电解液中的水分子在达到或超过沸点时出现汽化导致槽内气液比上升和电压明显升高，甚至离子膜的热熔性损伤，电解温度控制失误往往会造成较严重的设备事故。

由于不同的电解槽结构和循环工艺的不同，电解室内不同区域的介质存在温差梯度。通常槽内上部温度高于下部温度，贴近膜和电极表面的反应区域温度高于槽内液体循环区域温度，所以，介质出槽温度并不能真实反映槽内高温区域的温度。要使槽内任何部位的介质温度均在汽化温度以下，我们根据结构流场分析和工艺试验数据，制定了温度控制指标。早期有极距低电流密度电解槽的阴极液出口温度需严格控制在90 ℃以下。随着电解槽内部气液分离结构、循环结构以及膜极距结构技术的应用，目前主流装置的运行电流密度有了较大的提升，其槽内温差梯度有所加大。针对膜极距的反应状态，需要适当降低电解槽出口的温度检测指标，倡导较低的温度控制及自然温度运行。适度加大循环流量，改善电极和膜面的反应条件，防止电极和膜的性能加速劣化和寿命缩短。根据近十年的运行数据和经验，现代槽型装置的阴极液出口温度控制在(85±2)℃为宜。

根据离子膜的性能特点，在规定的槽温控制范围内，离子膜的温度效能可以得到有效的保证，而此时较高的槽温较之较低的槽温可以获得更低的反应电压。如果在工艺条件下电解槽的自然反应温度低于85 ℃，表明离子膜和电极的性能处于较佳状态期，此时，出于对离子膜使用寿命和电流效率的更高期待，我们并不提倡人为的加热升温来博取更低的电压。随着运行周期的延续，膜电阻和电极电压会自然上升，槽温也将自然升高。

3.5 电解酸度的工艺与控制

由于来自树脂塔的精制盐水为弱碱性，根据离子膜和电极的适用条件以及产品质量和工艺要求，需要对进槽盐水做加酸调节。在进槽盐水酸度不得大于0.15 mol/L的保证条件下，我们以出槽淡盐水pH值不低于2且力求接近2这个工艺目标来控制进槽的加酸量。

离子膜的加酸量的精准控制非常重要，根据工艺要求规范的电解加酸，可以使阳极涂层的性能及寿命得到更好的保证，氯中含氧量得到控制，同时还可以有效抑制电解过程中氯酸盐的生成，减轻盐水处理过程中氯酸盐分解工艺和设备负担。但加酸过量会使离子膜酸化或起泡，降低离子膜的运行性能和寿命。

在新的离子膜开始使用时段，电流效率处于较高的状态，反向渗透迁移至阳极室的OH-及副反应较少，所以进槽盐水的加酸量也会较小。而随着膜在使用过程中的性能劣化，OH-的反向迁移增多，加酸量也要随之加大，才能达到淡盐水酸度要求。

在电解加酸操作中，为了防止出现加酸过程对电解室内的反应状态的干扰和波动，加入的盐酸浓度不能过高，加入口内需有与盐水的混流设置，保证稀释的盐酸均匀稳定加入每一个电解单元。自控程序和自控阀门需根据运行电流和出槽淡盐水pH值串级调节，精准和稳定的控制加酸量，更好地满足工艺要求。

3.6 盐水质量的控制和保障

高质量的盐水是电解装置高性能运行的重要保障，特别是在当今高电流密度和节能降耗的环境条件下，努力保持对盐水质量有更高的要求，是离子膜电解工艺技术永恒的主题。

吨碱电耗状况是衡量一个烧碱装置运行水平的终极指标，吨碱电耗的高低直接显示着离子膜和电极性能的优劣和安全性能状况。电流效率和膜电压是离子膜的两项重要指标，也是盐水质量的直接反映。

随着当今电解装置内部循环结构和膜极距技术的应用，运行电流密度大大提升，达到了6 kA/m2以上，单位时间内离子膜承受的的钠离子交换量较之早期装置有了成倍的增加，盐水杂质对膜的危害会更加明显[7]。虽然离子膜的采购成本已有所降低，但由于单套装置规模的大型化发展，杂质污染对膜的性能和寿命的影响造成的经济损失依然需要严加控制。

以二次精制盐水中钙镁指标为例，虽然原有规定质量分数应小于20×10-9，但在当今运行电流密度条件下，将其控制在10×10-9以下无疑是非常必要的，特别是要注意在一个膜周期内不能出现一次失误。有些企业盐水质量控制可以达到钙镁质量分数在5×10-9左右，但只是因为偶尔的一次超标，造成离子膜不可逆转的性能劣化，却得到了事倍功半的效果，确实需要引起我们足够的重视。在离子膜运行周期内，盐水杂质超标事故发生的越早，吨碱电耗升高造成的损失也就越大。

工业实践证明，我们可以通过盐水质量的有效控制，使吨碱电耗的年平均升高值降低1%以上，以烧碱50万t/a的中小型企业为例，年降电潜能可达1 000万kW·h，而中国企业总产能约有4 000万t/a装置，年降耗电能可达8亿kW·h，足以满足国内任何一个大型城市所有家庭一个月的生活用电需求，更加突显了盐水质量保证的重要意义。

3.7 努力增添自控程序的智能基因

许多企业过分依赖DCS操作人员的人为干预来完成装置的稳定控制，这是技术管理的一大误区。我们要充分挖掘自控系统的潜能，发挥技术团队优势，罗列问题并全面分析因果关系，群策群力定方案，将人的技术智慧和正确的操作逻辑准确的融入自动化程序[8]，逐步增添自控系统的智能基因。

要重视流量、压力等自控阀门的自控调节条件的满足，尤其要注意通过人工调节使实际状态值在最接近所需的自控设定值时，才是切换至自控和串级状态的理想时机，切勿在流量或压力控制的初始阶段直接输入设定值并直接切入自控程序。

在自控运行时，如遇异常波动，及时将实际状态值切换为设定值，缩小设定值与实际状态值的差距，从而减少阀门剧烈的往复动作，是缩小和阻止流量或压力异常波动的有效方式。

要根据系统工艺需求、运行状态、调整空间、动作效应、功能特性等因素，合理设定调节阀的性能参数和控制动作步骤，使自动控制效果优于操作人员的水平，真正达到装置应具备的自动化水平。

要通过对压力异常变化因素的细致分析，有针对性的对控制参数和程序逻辑做合理整定，使控制系统可以及时有效的自动调节和应对气体流量和压力的突变，稳定控制系统压力和压差在工艺容许的范围之内，才能有效的减少及避免联锁停车。

4 技术发展与电解工艺

随着电极技术的提高和离子膜的适用性提高，氯碱工艺将会向更高的电流密度、更高的电解液浓度和更大的单槽产能方向发展，对电解室内部反应条件的要求也会更高。内部循环结构与循环工艺的优化结合、电极与膜表面介质的流速保证、分子的迁移与交替条件的保证、反应温度的扩散和传导条件的保证、浓差梯度与温差梯度的控制、电流密度的均匀分布、反应室内气液的导出和分离的同步快速完成、气泡析出通道和气液比的低值保证、析氯过电位和析氢过电位的降低、高浓度条件下膜电压和电流效率的性能保证等等工艺条件的保证能否达到更高的要求，无疑都是我们要研究的课题。

4.1 膜极距结构技术的改进与提高

各种槽型的设计者通常采取弹性阴极结构完成了膜极距技术的创新，将阴阳极间距缩小到了膜的厚度，有效的消除了阴阳极极间气液电阻。膜极距技术的科学应用，加之在内部循环结构和阴阳极技术等方面的技术改进，使烧碱电解电压相对之前降低约200 mV，吨碱直流电耗降低可达7%以上，为电解工艺的技术进步打开了空间。

近年来，膜极距技术日臻成熟，技术应用初期的电极与离子膜接触损伤问题得到了很好的解决。目前业内膜极距电解电流密度已经普遍上调至6 kA/m2，而且吨碱电耗还有所下降，离子膜电解技术达到了一个新的水平。

因客观条件限制，膜极距技术结构也对工艺条件提出更多的要求。由于阴阳极与离子膜的密切接触，加之阴极相对复杂的结构空间，介质进入主反应区域的流动阻力增加，降低了反应区域介质循环速度，增加了阴阳极表面介质的扩散和补充障碍，使垂直于离子膜面的介质浓差梯度和温差梯度加大，阴极侧反应区域碱浓度相对增高、阳极侧反应区域盐水浓度降低，气液比增大，电极与膜表面的反应温度升高，区域反应条件更加恶劣，这种状况下一旦离子膜因电极夹持压力过大形成针孔或损伤，将直接造成阴阳极活性涂层的溶失，甚至电极的直接放电熔蚀。

所以，如果继续提高反应电流和加大单元电解面积，在电解反应室结构设计上，认真考虑介质的循环条件，充分增大介质循环效果，打开反应热量传递、反应介质扩散和反应的空间，尽可能的降低电解区域与电解室出口之间的温度差和浓度差，设计更科学的膜极距结构，是我们必须解决好的新课题。

4.2 改善气液分离结构降低气液比

更高的电流密度代表着更大的反应量，电解室内的上部区域将会聚集更多的气体。在结构设计上，要做到扩充气液疏导通道、提高气液溢出速度、改善气液分离效果、降低槽内充气度和气液比，消除泡沫式及间歇式液流，避免离子膜面上部气液压力波动形成的针孔和磨损造成的寿命缩减。

4.3 超高电流密度与集成循环方式

随着氯碱工业的发展，在技术密集型园区的大型化生产企业逐渐占据产业链的主体形式。产能大、占地少、槽型大、电流密度高、降投资、运行稳、寿命长、能耗低等方面的优势装置是氯碱行业的需求。

未来装置的运行电流密度将很快超过6 kA/m2，可以适应更高电流密度条件下的离子膜和电解槽以及工艺方法的研发和技术准备，是我们面临的新课题。而通过电解结构和工艺的研究，使电解室内获得良好的反应状态，可以大大降低对离子膜的性能要求和研发难度。

随着电流密度的提升，单独的强制循环或自然循环方式将不能获得槽内良好的反应条件，我们将利用计算机流场模拟设计等先进手段加强对电解室内循环结构的研究和挖掘，以满足更大的介质循环量需求。在获得良好的反应状态条件下，各种循环方式的极限电流密度已经在长期的工业实践中得以验证，结构设计优势得到充分的发掘和发挥。

循环量的提高是改善电化学反应条件的一个重要手段，不仅仅可以降低槽电压，更重要的是可以使离子膜和电极的性能和寿命得到有效的保证，设备运行更加稳定。如前文所述，外部自然循环结构设计和强制循环等多种循环技术可以加以利用，在某种外部自然循环槽中进行了反应室内部循环结构的改进试验，不仅槽电压有所降低，离子膜的性能和寿命也有所提高，获得了很好的效果。

在大面积电解单元和大电流密度运行条件下，为了适应反应室内更大的反应强度，内部自然循环与外部循环相互结合，可以相辅相成且相得益彰。虽然完全的大流量强制循环曾带来过诸多问题，但运用计算机流场仿真模拟设计和工业试验数据寻找到电流密度与循环量的工艺平衡点，利用适量的外部循环来弥补内部循环在高电流密度条件下的不足，无疑是最好的技术方向。

4.4 电极技术

金属阳极和活性阴极技术在离子膜烧碱电解装置上的工业化应用和快速提高，对氯碱工业的高速发展功不可没。

热氧化阳极涂层成分和配方不断改进，析氯电位持续保证并有所降低，寿命也得到有效保证。而阴极技术，从铁镍到雷尼镍阴极再到热氧化活性阴极、从刷涂到等离子喷涂、涂层新成分配方及极性保护等各项技术的应用，析氢电位大幅降低，抗逆反电流性能不断增加。

随着涂层技术的研发改进，相关贵金属的应用更加广泛，但国际上贵金属价格却在飞速上涨，这就给我们带来了新的课题。

对涂层配方、热氧化工艺、基材网形和表面状态的综合改进研究和试验，力求使金属活性电极在更高的电流密度条件下仍可获得更低的过电位和电耗性能，跟进氯碱工业技术的发展需求。

4.5 “一键启停”是自动化控制的极致表现

充分挖掘DCS控制潜能，努力提高运行自动化水平，依靠正确的技术理念、高水平规范的操作方法、自控仪表和阀门的高效执行动作，实现装置的“一键启停”控制模式，使生产安全更有保证，是目前我们氯碱工业发展和工艺控制技术提升的关键。

所谓一键启停，就是要在DCS自控状态下，可以使相关生产模块或整套生产装置可以平顺的“启”和稳定的“停”，更重要的是还要能使装置更长时间的平稳运行，在出现异常状况时，自控系统可以根据异常数据的反馈进行问题分析和判断，并通过预置的程序和逻辑，正确有效的自控应对调节，扭转并消除异常，减少或避免发生联锁动作及非计划停车情况。

就氯碱电解工艺而言，防止并有效控制氯氢压力和压差异常状况的出现，是实现“一键启停”的关键！统计数据说明，电解装置出现联锁停车，大多数是由氯氢压力波动和压差异常造成的。正如前文所述，全面分析每一个压力和压差异常的成因加以自控应对，可以明显减少计划外停车次数，有效提高装置的运行稳定性。

另外，要通过完善装置的自控和仪表配置，加强性能监测，运用氯碱技术思维通过编制专业的逻辑程序软件，实现对装置总体及个体电解槽的性能指标分析和经济运行。

5 绿能发展与废盐应用思路

5.1 工业废盐的处理与应用

由于目前国家出台的环保和固废的处理管理政策变得十分严格，工业废盐的处理成本加大。这虽然成为了一些企业发展的严峻课题，但是如果利用氯碱工业技术加以解决，也会转变成为我们企业发展的一个契机。

随着氯碱工业技术的发展，离子膜电解工艺的适用性越来越强，运行性能的稳定性和更加可控，离子膜和电解槽的价格更低，运行成本较之早期发展阶段大大降低。虽然废盐中杂质对离子膜的污染劣化会增加氯碱装置运行成本，但是如果能够结合废盐净化工艺与电解性能劣化问题分析和鉴别，以及盐与电耗等各方面的成本核算，找到一个将废盐适度的处理应用与离子膜电解成本的平衡点，进行科学的专业的有针对性的工业化试验验证，不但可以解决废盐的处理难题，还会得到双赢的效果。

5.2 新能源新技术的融合发展思路

氯碱工业是一个高耗能产业，结合地域优势，将风能、光能、光热储能等新型绿色能源技术与烧碱电解装置配套建设或融合发展，加之对工业废盐的处理和应用，是氯碱工业一个顺应“碳中和、碳达峰”政策需求的发展思路。

风能、光能、光热储能及氢能等绿色能源技术的应用和发展，在我国的不同地域有着不同的优势条件。在我国的许多地区，兼具风、光及光热储能的发展条件。可以将不同绿能的优势互补，组合利用，建设具有外界的干扰因素少和电力传输成本低等特性的绿色能源综合电力系统，非常适合烧碱电解供电的稳定性和持续性的应用需要。

要认真解读国家和地方管理政策，顺应发展规律，做好可行性分析，定准企业发展策略，抓住有利时机，整合电力能源、氯碱装备、离子膜研制、废盐处理和应用等专业技术优势的企业和专家，协同攻关，协作发展，利益分享，合作共赢搞项目。